汽車車門(mén)剛度抗壓強(qiáng)度分析試驗(yàn)研究

韋芳蘭 陸新育 陸伸瑞 譚智 譚耀歡 石才將

摘 要：車身及零部件剛度是汽車的重要力學(xué)性能之一利用三維設(shè)計(jì)軟件中建立了白車身的幾何三維模型、采用 CAE 分祈軟件建立白車身有展元模型，用有限元理論分析靜態(tài)工況下承載式橋車白車身的用度特性、通過(guò)對(duì)其彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的分析，研究車身結(jié)構(gòu)不同部住的受力特性，驗(yàn)證理論建模分析的合理性和可靠性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和落足輕量化要求提供必要的依據(jù)和支撐。

關(guān)鍵詞：剛度試驗(yàn);彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度分析：有限元分析

前言：汽車車身大多數(shù)采用全承載式結(jié)構(gòu)，承載式車身幾乎承載了轎車使用過(guò)程中的所有載荷，主要包括扭轉(zhuǎn)、彎曲等載荷，在這些載荷的作用下，車身的剛NVH度特性則尤顯重要。車身剛度不合理，將直接景細(xì)轎車的可靠性、安全性、性能等關(guān)鍵性指標(biāo)，白車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析是整車開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的環(huán)節(jié)。本文通過(guò)和試驗(yàn)方案對(duì)比，提出了用于剛度分析的有限元分析該模型的抗凹剛度，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)，得出抗凹剛度較小的點(diǎn)，以減少這些測(cè)點(diǎn)的變形量為目標(biāo)。

1、白車身剛度特性概述

白車身部件的剛度一般包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。彎曲剛度可由車身的最大垂直撓度來(lái)衡量;扭轉(zhuǎn)剛度由車身軸間相對(duì)扭轉(zhuǎn)角來(lái)衡量。

1.1扭轉(zhuǎn)剛度：當(dāng)車身上作用有非對(duì)稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于扭轉(zhuǎn)工況，將使車身產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，結(jié)構(gòu)的變形 程 度 與 結(jié) 構(gòu) 上 所 受 到 的 力 及 結(jié) 構(gòu) 的 扭 轉(zhuǎn) 剛 度 有 關(guān) 。此時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度為單位扭轉(zhuǎn)角所受到的力。

1.2彎曲剛度：當(dāng)車身上作用有對(duì)稱垂直載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)處于 彎曲工況，其彎曲剛度由車身底架的最大垂直撓度來(lái)評(píng)價(jià) 。

2、車門(mén)抗凹剛度試驗(yàn)分析

2.1 車門(mén)有限元抗凹剛度分析

在三維CAD模型導(dǎo)入前，對(duì)一些復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，忽略對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的幾何細(xì)節(jié)，如直徑較小的孔、過(guò)度圓角和倒 角及螺栓，以獲得較好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，提高求解精度。

2.2單元選取與網(wǎng)格劃分

在有限元模型的建立過(guò)程中，定義當(dāng)車門(mén)安裝在車身并保持關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，車門(mén)坐標(biāo)系與汽車坐標(biāo)系相同。車門(mén)所有薄板沖壓成型件均采用四邊形和三節(jié)點(diǎn)三角形殼單元，平均長(zhǎng)度控制在15 mm左右，殼單元共23736個(gè)，三角形單元1059個(gè)，占4.46%（< 5 %），同時(shí)用rigid模擬螺栓連接和點(diǎn)焊，rigid單元共822個(gè)司。各零件通過(guò)提取中面后再劃分網(wǎng)格，其厚度在材料屬性中輸入。

2.3抗凹剛度分析

車門(mén)外板等較平坦的覆蓋件，應(yīng)具有適宜的抗凹剛度，當(dāng)用手觸壓車門(mén)外板時(shí)，如果較小的力也會(huì)產(chǎn)生撓曲，給人以柔軟感和鼓癟感，外板的剛度就是定量地描述這種感覺(jué)。對(duì)車門(mén)外板施加集中載荷時(shí)的載荷變形曲線的斜度用以定量評(píng)價(jià)表面的柔軟感。根據(jù)上述，車門(mén)抗凹剛度是指車門(mén)外板抵抗人為觸摸按壓的靜態(tài)載荷能力。與試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)相同的位置處，在有限元車門(mén)模型上施加y向載荷400N，給出了在最大載 荷400N時(shí)，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)與模型測(cè)點(diǎn)的最大變形量。車門(mén)測(cè)點(diǎn)加載和約束位置。

3、車門(mén)剛度抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

3.1檢查試驗(yàn)樣件

檢查完試驗(yàn)臺(tái)后，需要對(duì)樣件也進(jìn)行檢測(cè)。檢查樣件的外觀狀態(tài)是否完好，同時(shí)根據(jù)樣件的外觀形態(tài)需確定好其固定方式，需注意的是整車必須先拆除車輪才能固定進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 確定車輛的加載狀態(tài)

當(dāng)樣件放到支撐夾具上后，需通過(guò)測(cè)量支撐高度和支點(diǎn)距離來(lái)確定車輛的傾角與俯仰角度，即車輛的加載狀態(tài)。

3.3 劃線

車門(mén)鎖好，車窗升至頂部，在車身的顯著位置劃出縱向?qū)ΨQ線，按照相應(yīng)要求同時(shí)劃出距離車門(mén)低端127mm的水平線（與設(shè)備加載裝置下邊線重合）和該水平線被車門(mén)輪廓截取線段的中點(diǎn)，然后過(guò)該點(diǎn)劃出鉛垂線在車門(mén)上的投影線。

3.4確定加載頭的高度

根據(jù)畫(huà)出的加載最低水平線到車窗的距離確定加載頭的高度（加載頭頂端表面高出車門(mén)車窗底部邊緣至少13mm）

3.5標(biāo)記受力部位

根據(jù)車門(mén)結(jié)構(gòu)特征，可以得出受力部位包括加強(qiáng)筋、鉸鏈、門(mén)鎖等，試驗(yàn)之前這些部位需要進(jìn)行標(biāo)記處理。

3.6固定車身

車身固定在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中屬于相當(dāng)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要步驟如下：調(diào)節(jié)車身使它與設(shè)備平行，并且要使車門(mén)上白膠帶與加載頭的中心線重合;在四個(gè)基礎(chǔ)支撐上先固定四個(gè)張緊器，四個(gè)張緊器左右對(duì)稱并且同時(shí)張緊;安裝固定兩個(gè)縱梁側(cè)擋，位置為貼緊前后軸附近的車身縱梁;加載側(cè)B柱下方需要固定一個(gè)支撐同時(shí)可以起到側(cè)擋作用;非加載側(cè)前中后各固定三個(gè)支撐同時(shí)也起到側(cè)擋作用;在前機(jī)蓋部位平坦處與后背箱上方平坦處各取一處分別安裝一套車身固定裝置，需要注意的是壓緊裝置與車身中間應(yīng)覆蓋一層橡膠。

3.7加載位移監(jiān)控

目前試驗(yàn)運(yùn)用較常用的方法有兩種，一種是在車身非加載側(cè)固定一個(gè)百分表以便于監(jiān)控車身在加載方向是否有位移，另外一種則是在車身非加載側(cè)固定鉛錘監(jiān)控位移。

4、車門(mén)剛度抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)結(jié)果

在車門(mén)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，可以觀察車門(mén)的變形量和接載荷形變-時(shí)間曲線來(lái)評(píng)價(jià)車門(mén)的耐擠壓性能，通過(guò)往常試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)結(jié)果。

按照標(biāo)準(zhǔn)，擠壓力分析包括三個(gè)階段：

（1）初始擠壓力――在0-152mm擠壓距離上使車門(mén)產(chǎn)生變形的平均力;

（2）中間擠壓力――在0-305mm擠壓距離上使車門(mén)產(chǎn)生變形的平均力;

（3）最大擠壓力――在 457mm 擠壓距離上記錄到的最大力。

4.2 試驗(yàn)分析

在車門(mén)抗壓試驗(yàn)中，防撞梁和車門(mén)加強(qiáng)板是主要的承力部件，針對(duì)防撞梁和加強(qiáng)板可以做出以下優(yōu)化方法：

（1）將防撞梁上移25mm、安裝支架上移25mm，同時(shí)防撞梁逆時(shí)針繞中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)5度。

（2）將防撞梁上移55mm、安裝支架上移55mm，同時(shí)防撞梁逆時(shí)針繞中點(diǎn)旋轉(zhuǎn)10度。

（3）將車門(mén)內(nèi)外加強(qiáng)板通過(guò)增加加強(qiáng)筋的方法增加剛度。

以上方案通過(guò)軟件仿真計(jì)算及限元模擬分析，優(yōu)化前、后的接觸力曲線進(jìn)行比較分析可知，調(diào)整防撞梁的安裝位置可以改變車門(mén)的抗擠壓能力;而對(duì)車門(mén)外板和內(nèi)板加強(qiáng)板進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，也可以提高車門(mén)的抗壓能力。

總結(jié)：本文簡(jiǎn)述了某款電動(dòng)汽車車身的剛度分析，獲取了試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案，用于指導(dǎo)具體的研發(fā)實(shí)踐。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)車身進(jìn)行有限元分析的目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)設(shè)計(jì)的合理性 、可行 ?性進(jìn)行判斷及優(yōu)化，大大提升了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性、可靠性，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳鑫.轎車車身靜態(tài)剛度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].長(zhǎng)春：吉 林大學(xué)汽車工程學(xué)院，2003.

[2]美國(guó)聯(lián)邦機(jī)動(dòng)車輛安全標(biāo)準(zhǔn).FMVSS 214 轎車側(cè)面碰撞保護(hù)[S].

[3]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì).GB15743-1995 轎車側(cè)門(mén)強(qiáng)度[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.